Когда Эйнштейн вычислил ожидаемый эффект от линзирования далекой звезды другой звездой, расположенной в промежутке, эффект оказался очень мал и представлялся совершенно неизмеримым. Поэтому-то Эйнштейн и сделал в статье оговорку о том, что такое явление едва ли удастся когда-нибудь пронаблюдать. В результате Эйнштейн заключил, что его статья не имеет особой практической ценности. Вот как он писал об этом редактору Science: «Позвольте также поблагодарить вас за содействие в публикации заметки, которую выжал из меня мистер Мандл. Пользы от нее никакой, зато бедняге будет приятно».
Однако Эйнштейн не был астрономом – а нужен был именно астроном, чтобы разобраться, что эффект, который он предсказал, можно не просто измерить, но еще и извлечь из него пользу. Для этого понадобилось оценить эффект гравитационной линзы, который оказывают на далекие объекты гораздо более крупные системы – галактики и даже скопления галактик, поскольку линзирование звезд звездами и правда слишком слабо. Не прошло и нескольких месяцев после публикации заметки Эйнштейна, как блистательный астроном из Калифорнийского технологического института Фриц Цвикки представил в журнал Physical Review статью, в которой показал практическую осуществимость именно такой схемы (и тем самым косвенным образом упрекнул Эйнштейна в том, что тот думал только о звездах и не сообразил, какими мощными гравитационными линзами могут служить галактики).
Цвикки славился вспыльчивым характером, зато далеко опережал свое время. Так, он еще в 1933 г. проанализировал относительное движение галактик в скоплении Волосы Вероники и на основании законов Ньютона определил, что галактики движутся так быстро, что должны были бы давно разлететься в стороны, а скопление – распасться. И если этого не произошло, то масса скопления гораздо больше – в 100 с лишним раз, – чем масса одних только звезд. Именно Цвикки по праву можно считать первооткрывателем темного вещества, хотя в то время его вывод был настолько неожиданным, что большинство астрономов, скорее всего, считали, что должно найтись какое-то другое объяснение, не такое экзотическое.
Статья Цвикки, опубликованная в 1937 г. и занимавшая всего страницу, была не менее примечательной. Он предложил три разных способа применения гравитационных линз: 1) проверка ОТО, 2) использование близлежащих галактик как своего рода космического телескопа для увеличения далеких объектов, которые иначе невозможно рассмотреть в земные телескопы, а главное – 3) ответ на загадку, почему скопления как будто весят гораздо больше, чем можно приписать одному лишь видимому веществу: «Наблюдения отклонения света вокруг туманностей способны обеспечить самое прямое определение масс туманностей и разъяснить вышеуказанное несоответствие».
Статье Цвикки уже более 80 лет, однако читается она как вполне современное предложение применять гравитационные линзы для исследования Вселенной. И в самом деле, сбылись все до единого прогнозы Цвикки, включая и самый главный – последний. Гравитационное линзирование далеких квазаров расположенными ближе них галактиками удалось пронаблюдать в 1987 г., а в 1998 г., спустя 61 год после того, как Цвикки предложил взвешивать туманности при помощи гравитационных линз, этот метод позволил определить массу крупного скопления.
В тот год физик Тони Тайсон и его коллеги из исследовательского центра Bell Laboratories (в свое время заслуженно увенчанного всевозможными лаврами, в том числе и нобелевскими, за самые разные достижения – от изобретения транзистора до открытия реликтового излучения) пронаблюдали крупное далекое скопление, получившее поэтичное название CL0024+1654, которое находится на расстоянии около 5 млрд световых лет от нас. Великолепный снимок космического телескопа имени Хаббла стал ярким примером кратного изображения далекой галактики, находящейся еще на 5 млрд световых лет дальше скопления. Видите сильно искаженные продолговатые пятнышки среди других галактик, в основном более округлых?
Когда разглядываешь этот снимок, он будоражит воображение. Во-первых, каждое пятнышко на фото – не звезда, а галактика. Каждая галактика состоит, может быть, из 100 млрд звезд, а при них, вероятно, сотни миллиардов планет, и среди них, не исключено, – давно погибшие цивилизации. Я говорю «давно погибшие», поскольку этой картинке 5 млрд лет. Свет оттуда отправился в путь за 500 млн лет до того, как сформировались наше Солнце и Земля. Многих звезд, запечатленных на этом снимке, давно уже нет, они израсходовали свое ядерное топливо миллиарды лет назад. Далее, искаженные очертания галактик – это именно тот эффект, о возможности которого говорил Цвикки. Большие искаженные изображения левее центра снимка – это сильно увеличенные (и вытянутые) версии той далекой галактики, которую иначе, вероятно, вообще не было бы видно.
Вычислить распределение массы в скоплении исходя из этого изображения – сложная и многоступенчатая математическая задача. Для ее решения Тайсону пришлось создать компьютерную модель скопления и проследить на основе законов ОТО все возможные пути, которыми свет источника может пройти сквозь скопление – и так до тех пор, пока итог не будет в наилучшей степени соответствовать наблюдениям ученых. В конце концов Тайсон с сотрудниками построил графическое изображение, которое точно показывало, где расположена масса в системе, запечатленной на изначальном снимке.
Картина получилась очень странная. Пики на графике показывали расположение галактик, видимых на снимке, однако основная масса в системе была распределена между галактиками, причем достаточно равномерно. В сущности, между галактиками находилось в 40 с лишним раз больше массы, чем содержит видимое вещество системы (и в 300 раз больше массы, чем содержится в одних только звездах: остальное видимое вещество представлено горячим газом вокруг них). Было очевидно, что темное вещество не сосредоточено в границах отдельных галактик и в то же время составляет основную массу в скоплениях.
Специалисты по элементарным частицам, в том числе и я, ничуть не удивились, когда обнаружилось, что темное вещество доминирует и в скоплениях. Хотя у нас не было ни единого прямого доказательства, все мы надеялись, что темного вещества окажется достаточно, чтобы наша Вселенная стала плоской, а для этого его должно было оказаться более чем в 100 раз больше, чем видимого вещества.
Причина была проста: только плоская Вселенная обладает математической красотой. Почему? Следите за ходом моей мысли.
Независимо от ответа на вопрос, достаточно ли темного вещества, чтобы Вселенная оказалась плоской, наблюдения, полученные путем гравитационного линзирования (я напомню, что эффект гравитационной линзы – это результат локального искривления пространства вокруг массивных объектов, а то, плоская ли Вселенная, связано со средней кривизной пространства в целом, где не учитывается локальная рябь в окрестностях массивных объектов), а также относительно недавние результаты в других областях астрономии подтвердили, что общее количество темного вещества в галактиках и скоплениях намного превосходит тот уровень, который можно допустить исходя из теории нуклеосинтеза после Большого взрыва. Сейчас мы, можно сказать, уверены, что темное вещество – а его существование, повторяю, подтверждается независимо в самых разных астрофизических контекстах, от отдельных галактик до скоплений галактик, – должно состоять из чего-то совершенно нового, чего-то такого, чего в обычных земных условиях не существует. Это не звездное вещество, но и не земное. Но что-то такое существует!
